素粒子物理学を変えるかもしれない発見の裏側

国際的な科学者チームが、小さな素粒子に何か異常があると報告した。この発見が正しければ、現代物理学の大きな可能性を秘めている。

問題児はミューオンと呼ばれる粒子で、電子のより重く、より怪しい親戚である。ミューオンは崩壊して壊れるまで、わずか100万分の1秒しか持続しない。ミューオンは短命だが、物理学者は欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器のような施設で他の粒子を衝突させることにより、何百万個ものミューオンを生成することができる。

現在、シカゴ郊外のフェルミ国立加速器研究所の素粒子物理学者たちは、ミューオンが科学者の予想よりも強い磁性を持っているという証拠を発見した。これは難解な詳細のように思えるかもしれないが、これはミューオンが標準モデルと呼ばれるものによって規定される素粒子物理学の基本法則に違反していることを意味する。

標準モデルは、約半世紀にわたって素粒子物理学の心臓部であり続けてきました。標準モデルは、科学者が宇宙の最も基本的な粒子であると考えられるミューオン、電子、光子、そして半ば伝説的なヒッグス粒子、その他 13 個の粒子を理解し、関連付けるための量子的な基礎を築きました。

標準モデルは精査に耐えてきたが、このモデルにはいくつかの弱点があり、物理学者たちの頭の中に何十年も浮かんでいた未解決の疑問がある。いくつかの粒子の質量は、このモデルの予測と一致しない。また、重力の仕組みや暗黒物質や暗黒エネルギーの説明もないため、宇宙の構成の大部分が謎のままである。そもそも、宇宙に物質が存在する理由も説明されていない。

そのため、一部の素粒子物理学者は現在、このミューオンの不一致が標準モデルに対する最初の致命的な打撃となる可能性があると信じている（少なくともそう願っている）。

「これは、ミューオンが私たちの最良の理論にはない何かに敏感であることを示す強力な証拠だ」と、研究チームの一員でケンタッキー大学の物理学者レニー・ファテミ氏は声明で述べた。

この発見は以前から予兆されていた。1990年代、ロングアイランドのブルックヘブン国立研究所の科学者たちは、磁気リングの周囲にミューオンを発射し、その磁気双極子モーメント（粒子が本来持つ微小な磁場の測定値）を調べ始めた。彼らは、磁気双極子モーメントが標準モデルの予測と一致しないことを発見した。

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それは魅力的な手がかりだったが、実験資金が枯渇したため、科学者たちはそれを追求することができなかった。彼らは、磁気リングが文字通り数百マイル西にあるフェルミ国立加速器研究所に移された2010年代まで待たなければならなかった。そこでは、世界中から集まった何百人もの科学者が協力して、ブルックヘブンの研究者たちが発見したことを共同で確認した。ミューオンの磁気双極子モーメントは標準モデルに反するのだ。

意味を解明するにはまだ早すぎる。まず、科学者は結果を再現する必要がある。フェルミ国立加速器研究所の研究者が発見したものがランダムノイズである確率はおよそ 4 万分の 1 だ。これは確かに驚くほどありそうにないことだが、素粒子物理学の標準である 350 万分の 1 よりははるかに低い。今後さらに結果が出るかもしれない。フェルミ国立加速器研究所の研究者は、収集したデータの 6% 未満しか徹底的に分析していないと述べている。

科学者全員がミューオンが素粒子物理学に革命を起こすと考えているわけではない。しかし、フェルミ国立加速器研究所の研究者の一部を含む多くの研究者は、この食い違いはミューオンと相互作用する未知の力の結果ではないかと考えている。もしそうだとすれば、これは標準モデルをはるかに超える新たな物理学の発見を大胆に告げるものだ。

たとえ標準モデルが過去のものにならないとしても、このミューオンの発見は、宇宙がどのように、そしてなぜ今のような仕組みになっているのかを解明するのに役立つ新たな発見の出発点となる可能性がある。